基于Maxwell的无刷直流电机负载瞬态磁场分析实例

基于Maxwell的无刷直流电机负载瞬态磁场

分析实例

5.1 节中已经完成了直流无刷机的模型建立和空载瞬态磁场分析，并得到了相关运行曲线

和典型时刻场图分布。本节主要针对的是负载工况时，直流无刷机的主要性能和特性分析，与

上一节内容综合起来即是一套对无刷机完整分析的过程。

5.2.1 问题描述

1考虑机械瞬态

2不考虑机械瞬态

计算电机轴上输出的电磁转矩，负载反电势，负载磁链，绕组电流波形等量。

根据电机学知识，可知两相无刷电动机的驱动电路如图5-51 所示，由4 对功率开关管对

电机2 相绕组提供电电压进行控制，8 个二极管完成续流工作。

图5-51 两相无刷电动机驱动电路

开关逻辑如下：

A 相绕组施加正向电压，电机处于正相主磁场中，电机正方向转动。开关管T1A 与

T1B 导通，其它开关管关闭。

B 相绕组施加正向电压，电机处于正相主磁场中，电机正方向转动。开关管T2A 与

T2B 导通，其它开关管关闭。

A 相绕组施加反向电压，电机处于负相主磁场中，电机正方向转动。开关管T3A 与

T3B 导通，其它开关管关闭。

B 相绕组施加反向电压，电机处于负相主磁场中，电机正方向转动。开关管T4A 与

T4B 导通，其它开关管关闭。

5.2.2 控制电压电路设置

对于两相无刷直流电动机，当A 相绕组反电势过零时，即A 相绕组轴线与主极轴线相

重合(此位置可通过电机初始位置的设置获得，本例为15 度机械角度)，此时两相无刷直流电

动机的开关触发角度分别为45 度、135 度、225 度、和315 度电角度。其换相角度如图5-52

所示

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图 5-52 四极两相无刷直流电动机触发角

此时，各相绕组端所获得的电压如图 5-53 所示

图 5-53

两相无刷直流电动机负载所加相电压

在 Ansoft 有限元计算中，控制电压由四个脉冲电压提供，如图 5-54 所示，图中四个电阻 R1 、R2、R3、R4 为控制电压回路限流电阻，Vc1、Vc2、Vc3 、Vc4 为电压表元件用来检测电压，由其与开关管相关联，V1、V2、V3、V4 为脉冲电压源，其电压脉冲与电机旋转位置相关，用来提供开关管动作电压。

图 5-54 两相无刷直流电动机控制电压电路图

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Ansoft 包含相应的电路模块，选择程序 Ansoft 中的电路模块，具体操作如图 5-55 所示，自动弹出电路编辑器，选择新建项目选项，电路编辑器界面如图 5-56 所示。

图 5-55 电路编辑器菜单

Ansoft 电路编辑器界面与 Maxwell 有限元模块界面相类似，主要由项目管理器、模型窗口、特性窗口组成。

图 5-56 电路编辑器界面

Ansoft 提供了较便捷的电路绘制方法，在项目管理其中可以直接选择构成电路的元

器件，将其拖放到模型窗口，再用线将各个器件连接起来。

1 选择项目管理器菜单中的 Maxwell Circuit Elements 元件库，鼠标选择指示器 Probes 选项中的接地电压表元件，此时该元件会自动跟随鼠标移动，元件显示为灰暗色，直到下一步放置操作完成，如图 5-57 所示。

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图 5-57 元件选择操作菜单

2 选择 VoltmeterG 后，连续进行 4 次放置操作，将电压表放置在电路绘制窗口的相应位置，放置在电路模型窗口中的元件可以通过选择工具栏中

按钮进行 X 轴、Y 轴镜

像和旋转操作，通过鼠标选择电路模型窗口中的元件可以对元件进行移动操作。

3 双击模型窗口中的 1 号 VoltmeterG 元件，此时该元件变为红色并自动弹出电路元件特性设置对话框，元件名称框内设置名称为 Vc1，其它选项设置为默认值，如图 5-58 所示。对于 2、3、

4 号 VoltmeterG 元件操作类似，名称依次设置为 Vc2、Vc3、Vc4。

图 5-58VoltmeterG 元件特性设置对话框

4 选择 Passive Elements 选项中的 Res 电阻元件放置到模型窗口中，通过旋转及移动操作将电阻器件放置在相应位置，并对电阻进行特性设置，阻值设置为 100 欧姆，名称为默认值，即为电阻的排列号。

5 选择源 Sources 选项中的 Vpulse 脉冲电压源元件放置到模型窗口中，通过旋移动操作将其放置在相应位置，脉冲电压源元件的相关设置项较多，如图 5-59 所示为脉冲电压源元件及其参数意义示意图。

图 5-59 脉冲电压源及其参数图

脉冲电压源符号中的+代表正向电压，各个参数代表意义如下： V1 脉冲电压源的初始电压，单位 V ； V2 脉冲电压源的峰值电压，单位 V ；

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Tr 脉冲电压源的电压上升时间，当类型 Type 设置为 TIME 时间时，单位为 s, Type 设置为 SPEED 速度时，旋转运动单位为 rpm ，直线运动单位为几何单位/秒，Type 设置为 POSITION 位置时，旋转运动单位为度，直线运动为几何单位；

Td 脉冲电压源电压上升初始时间，当类型 Type 设置为 TIME 时间时，单位为 s, Type 设置为 SPEED 速度时，旋转运动单位为 rpm ，直线运动单位为几何单位/秒，Type 设置为 POSITION 位置时，旋转运动单位为度，直线运动为几何单位；；

Pw 脉冲电压源的电压脉冲宽度，当类型 Type 设置为 TIME 时间时，单位为 s, Type 设置为 SPEED 速度时，旋转运动单位为 rpm ，直线运动单位为几何单位/秒，Type 设置为 POSITION 位置时，旋转运动单位为度，直线运动为几何单位；

Tf 脉冲电压源的电压下降时间，当类型 Type 设置为 TIME 时间时，单位为 s, Type 设置为 SPEED 速度时，旋转运动单位为 rpm ，直线运动单位为几何单位/秒，Type 设置为 POSITION 位置时，旋转运动单位为度，直线运动为几何单位；

Period 脉冲电压源周期，当类型 Type 设置为 TIME 时间时，单位为 s, Type 设置为 SPEED 速度时，旋转运动单位为 rpm ，直线运动单位为几何单位/秒，Type 设置为 POSITION 位置时，旋转运动单位为度，直线运动为几何单位；

图 5-60 所示为参考两相四极无刷直流电动机控制逻辑的四个脉冲电压源的具体设置。

（a ）ID=V10

(b) ID=V11

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